JP6386363B2

JP6386363B2 - 内燃機関用の過給装置

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Publication number: JP6386363B2
Application number: JP2014252157A
Authority: JP
Inventors: 知之磯谷
Original assignee: Otics Corp
Current assignee: Otics Corp
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2034-12-12
Also published as: US9951723B2; JP2016113936A; EP3032066B1; CN105697133B; US20160169165A1; EP3032066A1; CN105697133A

Description

本発明は、内燃機関用の過給装置に関する。

内燃機関用の過給装置に備えられるターボチャージャは、タービンインペラとコンプレッサインペラとがロータシャフトを介して一体回転するよう構成されている。そして、タービンインペラに内燃機関の排ガスを供給してタービンインペラを回転させることにより、コンプレッサインペラを回転させて吸入空気を圧縮して内燃機関へ向かって吐出するよう構成されている（特許文献１参照）。

特開２００２−１８０８４１号公報

内燃機関には、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の低減や燃焼効率の向上等を図るために、ターボチャージャの下流における排ガスの一部をターボチャージャのコンプレッサ上流に還流するＬＰＬ−ＥＧＲ（Low Pressure Loop - Exhaust Gas Recirculation）装置を備えたものがある。しかしながら、コンプレッサ下流にはコンプレッサから吐出された圧縮空気を冷却するためのインタークーラが設けられている。インタークーラは通常、アルミ製等の薄膜を積層してなる。そして、コンプレッサ上流に還流される排ガス（ＥＧＲガス）には凝縮水などの異物が含まれているため、当該凝縮水がインタークーラに到達すると、インタークーラの薄膜に付着してインタークーラを腐食させるおそれがある。

当該インタークーラの腐食を抑制するには、圧縮空気の流路に凝縮水などの異物を捕集するフィルタを備えるフィルタ式の捕集装置を設けることが考えられる。しかしながら、フィルタ式の捕集装置を設ける場合には、圧損が大きくなりやすい。そして、当該圧損が過度に大きくなると、内燃機関の吸気効率が低下するおそれがある。そのため、フィルタ式の捕集装置を備える過給装置においては、内燃機関の吸気効率の低下を抑制しつつ、凝縮水や粒子状物質などの種々の異物を充分に除去するには改良の余地がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、圧縮空気を冷却するためのインタークーラの腐食を防止するとともに、フィルタ式の捕集装置を備える場合に比べて内燃機関の吸気効率の向上を図ることができる内燃機関用の過給装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、タービンインペラを備えるタービン部と、上記タービンインペラに接続されたコンプレッサインペラを備えるコンプレッサ部とを有するターボチャージャと、
上記タービン部に内燃機関の排ガスを供給する排ガス供給路と、
上記タービン部から吐出された排ガスを外部に排出する排ガス通路と、
上記コンプレッサ部に吸入される吸気を供給する吸気通路と、
上記コンプレッサ部から吐出された圧縮空気を上記内燃機関に供給する圧縮空気通路と、
上記圧縮空気通路を流通する圧縮空気を冷却するインタークーラと、
上記排ガス通路を流通する排ガスの少なくとも一部を上記吸気通路に還流するＬＰＬ−ＥＧＲ通路と、
を備え、
上記圧縮空気通路には、上記インタークーラよりも上流に、上記圧縮空気中の異物を捕集するサイクロン式の捕集装置と、該捕集装置をバイパスさせるバイパス通路と、該バイパス通路を開閉するバイパス通路開閉部と、該バイパス通路開閉部の開閉状態を制御するバイパス通路開閉制御部とが設けられていることを特徴とする内燃機関用の過給装置にある。

上記内燃機関用の過給装置においては、内燃機関の排ガスによりタービンインペラが回転することによりコンプレッサインペラが回転し、吸気通路から供給された空気がコンプレッサインペラによって圧縮される。圧縮空気は圧縮空気通路を流通し、サイクロン式の捕集装置を通じてインタークーラに到達したのち、内燃機関に供給される。サイクロン式の捕集装置では、当該圧縮空気の過給圧により捕集装置内に旋回流が生じる。そして、旋回流によって圧縮空気に遠心力が生じて、ＥＧＲガスに含まれていた凝縮水などが当該圧縮空気から分離されることとなる。これにより、捕集装置の下流に接続されたインタークーラに凝縮水が付着することを抑制することができ、インタークーラの腐食を抑制することができる。そして、捕集装置は圧縮空気が流通する圧縮空気通路に設けられているため、捕集装置に流入された圧縮空気に旋回流を発生させるエネルギーとして、圧縮空気の過給圧を有効に利用することができる。

上記内燃機関用の過給装置においては、捕集装置としてサイクロン式の捕集装置を採用しているため、凝縮水などの異物を効率的に捕集することができる。これにより、フィルタを設ける場合に比べて、圧損を抑制することができ、内燃機関における吸気効率の向上を図ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、圧縮空気を冷却するためのインタークーラの腐食を防止するとともに、フィルタ式の捕集装置を備える場合に比べて内燃機関の吸気効率の向上を図ることができる内燃機関用の過給装置を提供することができる。

実施例１における、内燃機関用の過給装置を示す模式図。実施例１における、サイクロン式の捕集装置の模式図。実施例１における、排出路開閉部の開閉制御の態様を示すフロー図。実施例１における、バイパス通路開閉部の開閉制御の態様を示すフロー図。

上記圧縮空気通路には、上記捕集装置をバイパスさせるバイパス通路と、該バイパス通路を開閉するバイパス通路開閉部と、該バイパス通路開閉部の開閉状態を制御するバイパス通路開閉制御部とを備えることとすることができる。この場合は、バイパス通路開閉制御部により、所望のタイミングでバイパス通路開閉部を開いてバイパス通路を流通させることによって、圧縮空気通路を流通する圧縮空気が捕集装置をバイパスすることができる。その結果、圧縮空気通路における圧縮空気の流通抵抗を減少させることができ、内燃機関における吸気効率の低下を防止することができる。

上記ＬＰＬ−ＥＧＲ通路を開閉するＬＰＬ−ＥＧＲ通路開閉部を備えるとともに、上記バイパス通路開閉制御部は、上記ＬＰＬ−ＥＧＲ通路開閉部が開いているときには、上記バイパス通路開閉部を閉じるように制御し、上記ＬＰＬ−ＥＧＲ通路開閉部が閉じているときには、上記バイパス通路開閉部を開くように制御するように構成されていることとすることができる。この場合には、ＥＧＲガスがコンプレッサ部に供給されるときにのみ、圧縮空気が捕集装置を通じるようにし、ＥＧＲガスがコンプレッサ部に供給されないときは、圧縮空気が捕集装置をバイパスするようにすることができる。ＥＧＲガスがコンプレッサ部に供給されないときは、圧縮空気には凝集水等の異物は混入していないため、捕集装置を通じる必要がない。したがって、圧縮空気から凝集水等の異物の分離が必要なときのみ、圧縮空気が捕集装置を通じるようにし、当該異物の分離が不要なときには、圧縮空気が捕集装置をバイパスさせて圧縮空気通路における圧縮空気の流通抵抗を減少させることができるため、インタークーラの腐食を防止しつつ、内燃機関における吸気効率の低下を防止することができる。

上記内燃機関用の過給装置は、上記捕集装置により捕集された捕集物を貯留する貯留部と、該貯留部に貯留された上記捕集物を排出する捕集物排出路と、該捕集物排出路を開閉する排出路開閉部と、該排出路開閉部の開閉状態を制御する開閉制御部とを備えることとすることができる。この場合には、開閉制御部により、貯留部に貯留された捕集物の排出を制御することができるため、貯留部に過度の捕集物が蓄積することが防止される。

（実施例１）
上記内燃機関用の過給装置にかかる実施例について、図１〜図４を用いて説明する。
本例の内燃機関用の過給装置１は、図１に示すように、タービンインペラ２を備えるタービン部２０と、タービンインペラ２に接続されたコンプレッサインペラ３を備えるコンプレッサ部３０とを有するターボチャージャ１０を備える。さらに、内燃機関用の過給装置１には、タービン部２０に内燃機関１００の排ガスを供給する排ガス供給路５と、タービン部２０から吐出された排ガスを外部に排出する排ガス通路６が備えられる。また、コンプレッサ部３０に吸入される吸気を供給する吸気通路７と、コンプレッサ部３０から吐出された圧縮空気を内燃機関１００に供給する圧縮空気通路３３と、圧縮空気通路３３を流通する圧縮空気を冷却するインタークーラ１０８と、排ガス通路６を流通する排ガスの少なくとも一部を吸気通路７に還流するＬＰＬ−ＥＧＲ通路８とが設けられている。
そして、圧縮空気通路３３には、インタークーラ１０８よりも上流に、圧縮空気中の異物を捕集するサイクロン式の捕集装置９が設けられている。

本例の内燃機関用の過給装置１の構成について、以下に詳述する。
図１に示すごとく、内燃機関用の過給装置１において、タービン部２０には排ガス供給路５及び排ガス通路６が接続されており、排ガス供給路５は自動車等の内燃機関１００のエキゾーストマニホールド１０１に接続されている。また、タービン部２０には、タービンインペラ２をバイパスさせるウェイストゲートバルブ６０とウェイストゲートバルブ６０を駆動するアクチュエータ６１が設けられている。排ガス通路６の下流には、排ガス用三元触媒１０６、ＤＰＦ１０５が設けられている。ＬＰＬ−ＥＧＲ通路８は、ＤＰＦ１０５の下流において排ガス通路６に接続されている。ＬＰＬ−ＥＧＲ通路８には、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路８を流通するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ５３と、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路８を開閉してＥＧＲガスの流量を規定するＥＧＲバルブ５１が設けられており、ＥＧＲバルブ５１には、ＥＧＲバルブ５１の開閉を制御するガス流量調節部５２が接続されている。ガス流量調節部５２は、当該自動車に搭載されたＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）９７に接続されている。

図１に示すように、タービンインペラ２はロータシャフト４を介して、コンプレッサインペラ３と連結されている。ロータシャフト４は軸受ハウジング４３において回転可能に軸受けされている。これにより、タービンインペラ２の回転に伴い、コンプレッサインペラ３が回転するように構成されている。

図１に示すように、コンプレッサインペラ３を備えるコンプレッサ部３０の吸入口３１には、吸気通路７が接続されている。吸気通路７にはエアクリーナ１０７が設けられており、エアクリーナ１０７の下流には、内燃機関１００のクランクケース内からブローバイガスが流出されるＰＣＶ通路１１と、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路８とが接続されている。また、コンプレッサ部３０には、圧縮空気を吐出するアウトレットポート３２が設けられており、アウトレットポート３２には圧縮空気通路３３が接続されている。圧縮空気通路３３には、インタークーラ１０８が設けられている。そして、圧縮空気通路３３には、インタークーラ１０８の上流に捕集装置９が設けられている。本例では、捕集装置９は圧縮空気通路３３において、アウトレットポート３２の直後に位置している。

内燃機関１００のエキゾーストマニホールド１０１から排出された排ガスは、排ガス供給路５によってタービン部２０に供給されて、タービンインペラ２を回転させる。そして、タービンインペラ２の回転力によってロータシャフト４を介してコンプレッサインペラ３を回転させる。コンプレッサインペラ３の回転により吸気負圧が生じ、吸気通路７からコンプレッサインペラ２に向かって吸気が吸引されることとなる。吸気は、コンプレッサ部３０内に吸入されて圧縮された後、コンプレッサ部３０からアウトレットポート３２を通じて圧縮空気通路３３に吐出される。そして、当該圧縮空気は、捕集装置９を通じてインタークーラ１０８及びインテークマニホールド１０２を介して内燃機関１００に送り込まれる。

捕集装置９は、図２に示すように、サイクロン式の捕集装置である。捕集装置９は、本体部９０、吸気導入部９１、吸気吸引部９２、及び貯留部９３を有する。本体部９０は、軸方向（鉛直方向）Ｙにおける上側が円筒状に形成されるとともに軸方向Ｙにおける下側が略円錐状に形成されている。吸気導入部９１は、本体部９０の側壁９０aに接続されている。吸気吸引部９２は、本体部９０の軸方向Ｙにおける上部に接続されている。貯留部９３は、本体部９０の軸方向Ｙ下部に接続されている。本例では、捕集装置９は、吸気導入部９１が本体部９０の接線方向に延びるように接続された接線流入式であるとともに、貯留部９３と吸気吸引部９２とが軸方向Ｙにおいて本体部９０に対して反対側に設けられる反転型のサイクロン式の捕集装置である。

図２に示すように、アウトレットポート３２（図１参照）から吐出された圧縮空気Ｐはその過給圧により、圧縮空気通路３３を通じて吸気導入部９１から本体部９０内に流入してくる。本体部９０に流入した圧縮空気Ｐが、本体部９０における円筒状の内周面に沿って流通することにより本体部９０内を旋回して旋回流Ｒが生じ、圧縮空気Ｐに遠心力が生じることとなる。これにより、圧縮空気Ｐにおいて、ＥＧＲガスに含まれていた凝縮水などの異物が本体部９０の内周面に凝集されて捕集されることとなる。捕集された捕集物は重力によって、本体部９０の軸方向Ｙ下方の貯留部９３に貯留されることとなる。

図１に示すように、貯留部９３には、貯留部９３に貯留された上記捕集物を排出する捕集物排出路９４と、捕集物排出路９４を開閉する排出路開閉部としての排出路バルブ９５と、排出路バルブ９５の開閉状態を制御する開閉制御部９６とが接続されている。貯留部９３に貯留された捕集物は、開閉制御部９６により、排出路バルブ９５が開放されることにより、捕集物排出路９４を通じて外部に排出される。

本例では、開閉制御部９６は、ＥＣＵ９７を介して伝達されるイグニッションスイッチ（図示せず）のオン状態及びオフ状態に基づいて、排出路バルブ９５の開閉状態を制御する。具体的には、図３に示すように、開閉制御部９６はＥＣＵ９７からイグニッションスイッチがオン状態であるとの信号ＩＧＳＷ−ＯＮを受信すると（ステップＳ１におけるＹｅｓ）、排出路バルブ９５を閉塞する（ステップＳ２）。これにより、貯留部９３内の捕集物が貯留された状態となる。開閉制御部９６がＥＣＵ９７からイグニッションスイッチがオフ状態であるとの信号ＩＧＳＷ−ＯＦＦを受信すると（ステップＳ１におけるＮｏ及びステップＳ３におけるＹｅｓ）、開閉制御部９６は排出路バルブ９５を開放する（ステップＳ４）。これにより、貯留部９３内の捕集物が捕集物排出路９４を通じて外部に排出されることとなる。

したがって、自動車の走行時及びアイドリング時などの内燃機関１００が稼働している場合には、貯留部９３内の捕集物は貯留された状態に維持され、当該内燃機関１００が停止している場合には、貯留部９３内の捕集物の排出が行われることとなる。

さらに、圧縮空気通路３３には、捕集装置９をバイパスさせるバイパス通路８０が設けられている。バイパス通路８０には、該バイパス通路８０を開閉するバイパス通路開閉部としてのバイパス弁８１と、バイパス弁８１の開閉状態を制御するバイパス通路開閉制御部８２とを備える。バイパス通路開閉制御部８２は、ＥＣＵ９７に接続されている。

そして、バイパス通路開閉制御部８２は、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路開閉制御部としてのガス流量調節部５２によってＬＰＬ−ＥＧＲ通路開閉部としてのＥＧＲバルブ５１が開かれているときには、バイパス弁８１を閉じるように制御する。一方、ガス流量調節部５２によってＥＧＲバルブ５１が閉じられているときには、バイパス弁８１を開くように制御するように構成されている。

すなわち、図４に示すように、バイパス通路開閉制御部８２におけるバイパス弁８１の開閉制御は以下の通りに行われる。まず、ＥＣＵ９７はＥＧＲバルブ５１が開いているか否か判断する（ステップＳ１１）。ＥＣＵ９７は、ＥＧＲバルブ５１が開いていると判断したときには（ステップＳ１１のＹｅｓ）、バイパス通路開閉制御部８２によりバイパス弁８１を閉じるように制御する（ステップＳ１２）。ＥＣＵ９７は、ＥＧＲバルブ５１が閉じていると判断したときには（ステップＳ１１のＮｏ）、バイパス通路開閉制御部８２によりバイパス弁８１を閉じるように制御する（ステップＳ１３）。これにより、ＥＧＲバルブ５１が開放状態ではバイパス弁８１は閉塞状態となり、ＥＧＲバルブ５１が閉塞状態ではバイパス弁８１は開放状態となるように、すなわち、両者の開閉状態が反対となるように同期して制御される。

次に、本例の内燃機関用の過給装置１における作用効果について、詳述する。
内燃機関用の過給装置１によれば、内燃機関１００の排ガスによりタービンインペラ２が回転することにより介してコンプレッサインペラ３が回転し、吸気通路７から供給された空気がコンプレッサインペラ３によって圧縮される。圧縮空気Ｐは圧縮空気通路３３を流通し、サイクロン式の捕集装置９を通じてインタークーラ１０８に到達したのち、内燃機関１００に供給される。サイクロン式の捕集装置９では、当該圧縮空気Ｐの過給圧により捕集装置９内に旋回流Ｒが生じる。そして、旋回流Ｒによって圧縮空気Ｐに遠心力が生じて、ＥＧＲガスに含まれていた凝縮水などが圧縮空気Ｐから分離されることとなる。これにより、捕集装置９の下流に接続されたインタークーラ１０８に凝縮水が付着することを抑制することができ、インタークーラ１０８の腐食を抑制することができる。そして、捕集装置９は圧縮空気Ｐが流通する圧縮空気通路３３に設けられているため、捕集装置９に流入された圧縮空気Ｐに旋回流Ｒを発生させるエネルギーとして、圧縮空気Ｐの過給圧を有効に利用することができる。これにより、フィルタ式の捕集装置を備える場合に比べて内燃機関１００における吸気効率の向上を図ることができる。

本例では、捕集装置９は圧縮空気通路３３において、アウトレットポート３２の直後に位置している。これにより、捕集装置９において、圧縮空気Ｐに旋回流Ｒを発生させるエネルギーとして、圧縮空気Ｐの過給圧を一層有効に利用することができる。

上記内燃機関用の過給装置１においては、捕集装置９としてサイクロン式の捕集装置を採用しているため、凝縮水などの異物を効率的に捕集することができる。これにより、複数のフィルタを設ける場合に比べて、圧損を抑制することができ、内燃機関１００における吸気効率の向上を図ることができる。

本例では、圧縮空気通路３３には、捕集装置を９バイパスさせるバイパス通路８０と、該バイパス通路８０を開閉するバイパス通路開閉部としてのバイパス弁８１と、該バイパス弁８１の開閉状態を制御するバイパス通路開閉制御部８２とを備える。これにより、バイパス通路開閉制御部８２により、所望のタイミングでバイパス弁８１を開いてバイパス通路８０を流通させることによって、圧縮空気通路３３を流通する圧縮空気Ｐが捕集装置９をバイパスすることができる。その結果、圧縮空気通路３３における圧縮空気Ｐの流通抵抗を減少させることができ、内燃機関１００における吸気効率の低下を防止することができる。

さらに本例では、内燃機関用の過給装置１は、ＬＰＬ−ＥＧＲ通路８を開閉するＬＰＬ−ＥＧＲ通路開閉部としてのＥＧＲバルブ５１を備えるとともに、バイパス通路開閉制御部８２は、ＥＧＲバルブ５１が開いているときには、バイパス通路開閉部８２を閉じるように制御し、ＥＧＲバルブ５１が閉じているときには、バイパス通路開閉部８２を開くように制御するように構成されている。これにより、ＥＧＲガスがコンプレッサ部３０に供給されるときにのみ、圧縮空気Ｐが捕集装置９を通じるようにし、ＥＧＲガスがコンプレッサ部３０に供給されないときは、圧縮空気Ｐが捕集装置９をバイパスするようにしている。

本例では、捕集装置９により捕集された捕集物を貯留する貯留部９３と、貯留部９３に貯留された捕集物を排出する捕集物排出路９４と、捕集物排出路９４を開閉する排出路開閉部（排出路バルブ９５）と、排出路開閉部（排出路バルブ９５）の開閉状態を制御する開閉制御部９６とを備える。これにより、開閉制御部９６によって所望のタイミングで貯留部９３に貯留された捕集物を排出することができ、環境に対する影響を低減することができる。

本例では、サイクロン式の捕集装置９として、接線流入式であって反転型のものを採用したが、これに限らない。捕集装置９はサイクロン式であれば良く、本例の接線流入式に替えて、吸気導入部９１が軸方向Ｙと平行に本体部９０の上部に接続されるとともに、本体部９０内に圧縮空気Ｐに旋回流を与えるためのガイドベーンを備えた軸流式を採用してもよい。また、本例の反転型に替えて、貯留部９３と吸気吸引部９２とが本体部９０に対して同一側に設けられる直進型を採用してもよい。

以上のごとく、本例によれば、圧縮空気を冷却するためのインタークーラ１０８の腐食を防止するとともに、フィルタ式の捕集装置を備える場合に比べて内燃機関１００の吸気効率の向上を図ることができる内燃機関用の過給装置１を提供することができる。

１内燃機関用の過給装置
１０ターボチャージャ
１０８インタークーラ
２タービンインペラ
２０タービン部
３コンプレッサインペラ
３０コンプレッサ部
３３圧縮空気通路
５排ガス供給路
６排ガス通路
７吸気通路
８ＬＰＬ−ＥＧＲ通路
９捕集装置
９３貯留部

Claims

タービンインペラを備えるタービン部と、上記タービンインペラに接続されたコンプレッサインペラを備えるコンプレッサ部とを有するターボチャージャと、
上記タービン部に内燃機関の排ガスを供給する排ガス供給路と、
上記タービン部から吐出された排ガスを外部に排出する排ガス通路と、
上記コンプレッサ部に吸入される吸気を供給する吸気通路と、
上記コンプレッサ部から吐出された圧縮空気を上記内燃機関に供給する圧縮空気通路と、
上記圧縮空気通路を流通する圧縮空気を冷却するインタークーラと、
上記排ガス通路を流通する排ガスの少なくとも一部を上記吸気通路に還流するＬＰＬ−ＥＧＲ通路と、
を備え、
上記圧縮空気通路には、上記インタークーラよりも上流に、上記圧縮空気中の異物を捕集するサイクロン式の捕集装置と、該捕集装置をバイパスさせるバイパス通路と、該バイパス通路を開閉するバイパス通路開閉部と、該バイパス通路開閉部の開閉状態を制御するバイパス通路開閉制御部とが設けられていることを特徴とする内燃機関用の過給装置。
上記ＬＰＬ−ＥＧＲ通路を開閉するＬＰＬ−ＥＧＲ通路開閉部を備えるとともに、上記バイパス通路開閉制御部は、上記ＬＰＬ−ＥＧＲ通路開閉部が開いているときには、上記バイパス通路開閉部を閉じるように制御し、上記ＬＰＬ−ＥＧＲ通路開閉部が閉じているときには、上記バイパス通路開閉部を開くように制御するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用の過給装置。
上記捕集装置により捕集された捕集物を貯留する貯留部と、該貯留部に貯留された上記捕集物を排出する捕集物排出路と、該捕集物排出路を開閉する排出路開閉部と、該排出路開閉部の開閉状態を制御する開閉制御部とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用の過給装置。